Microscopie électronique à balayage (SEM) et image par courant induit par faisceau d'électrons (EBIC) d'une coupe transversale de la cellule solaire CZTSe. Les grains à l'intérieur des cadres en pointillés ne montrent aucune collection de porteurs. Crédit :Li et al.
Kesterite Cu2 ZnSn(S,Se)4 est un matériau photovoltaïque vert émergent et prometteur, car il est abondant sur Terre, ne nuit pas à l'environnement, et possède une structure stable, une grande accordabilité et des propriétés optoélectroniques avantageuses. Malgré leurs qualités, les cellules solaires à base de kesterite ont généralement de faibles rendements de conversion de puissance, ce qui entrave leur commercialisation et leur mise en œuvre à grande échelle.
Des chercheurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney ont récemment mené une étude visant à mieux comprendre les mécanismes qui favorisent les pertes de porteurs microscopiques dans les cellules solaires en kesterite, réduisant ainsi leur efficacité. Leurs découvertes, publiées dans Nature Energy , pourrait finalement contribuer à faciliter la mise en œuvre à grande échelle de cette classe prometteuse de cellules solaires.
"La communauté des chercheurs a rencontré un grand défi pour améliorer les performances des cellules solaires en kesterite qui est associée à la complexité sans précédent du système matériel ainsi qu'aux mécanismes de perte de porteurs", a déclaré Jianjun Li, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. dit TechXplore. "Cela a été un long débat pour savoir quel mécanisme de perte de porteuse domine dans les cellules solaires kesterite à la pointe de la technologie."
Comprendre les mécanismes qui sous-tendent la perte de porteurs dans des types spécifiques de cellules solaires est une étape essentielle de leur développement et de leur commercialisation. L'objectif principal des travaux récents de Li et de ses collègues était d'identifier les mécanismes de perte dominants dans les cellules solaires à la pointe de la technologie en kestérite. Les chercheurs voulaient également concevoir un cadre qui leur permettrait, ainsi qu'à d'autres équipes, d'analyser dynamiquement les mécanismes de perte dominants dans les cellules solaires basés sur différents films minces polycristallins émergents, y compris la kestérite ainsi que les chalcogénures d'antimoine, les pérovskites et d'autres matériaux.
Image de cartographie par cathodoluminescence (CL) d'un échantillon CZTSe en coupe transversale. Les joints de grains montrent une faible intensité de CL par rapport à l'intérieur des grains. Crédit :Li et al.
"Malgré la grande promesse, le plein potentiel de la kesterite est loin d'être exploité", a déclaré Xiaojing Hao, un autre chercheur impliqué dans l'étude, à TechXplore. "L'efficacité la plus élevée actuelle est de 13,6 % sur les cellules à l'échelle du laboratoire, ce qui est bien inférieur à l'efficacité> 22 % de leurs homologues commercialisés (pour CIGS (CuInGa(S,Se)2 ) et cellules solaires CdTe). Néanmoins, selon les prévisions théoriques, son efficacité devrait atteindre>30 %."
Plusieurs études antérieures ont établi un lien entre les pertes d'énergie dans les cellules solaires à base de kesterite et les défauts ponctuels et les défauts interfaciaux. Cela a conduit au développement de différentes stratégies pour réduire ces pertes d'énergie, améliorant l'efficacité des cellules de kesterite à plus de 12 %.
"Un fait important qui a été largement ignoré dans les études précédentes est qu'une grande inhomogénéité à l'échelle microscopique pourrait exister dans le film mince polycristallin", a expliqué Hao. "Par exemple, les limites et la surface des grains pourraient avoir une vitesse de recombinaison beaucoup plus grande que celle à l'intérieur des grains. Par conséquent, il est impératif de comprendre les mécanismes de perte de porteurs dans ces régions microscopiques pour déterminer où les efforts de recherche doivent être dirigés."
Li, Hao et leurs collègues voulaient améliorer la compréhension des cellules solaires en kesterite, afin de pouvoir rattraper les cellules CdTe et chalcopyrite CIGSe, qui sont maintenant sur le marché. Pour ce faire, ils ont combiné un cadre théorique avec des simulations de cellules solaires tridimensionnelles (3D).
L'image EBIC d'un appareil CZTSe clivé. Crédit :Li et al.
"Bien que certaines propriétés de l'intérieur des grains et des joints de grains, telles que les défauts de cristallinité intragrain et la flexion des bandes aux joints de grains, aient été étudiées dans le passé, en utilisant respectivement une analyse structurelle et électrique à haute résolution, des mécanismes de perte détaillés dans ces régions microscopiques, en particulier la recombinaison des joints de grains et la durée de vie du support intérieur des grains et leur impact sur les performances de l'appareil, restent inconnus », a déclaré Hao. "Dans nos travaux récents, nous dévoilons les mécanismes microscopiques de perte de porteurs dans notre efficacité record (>12 %) Cu2 ZnSnSe4 (CZTSe) en établissant un cadre qui relie les caractérisations structurelles, électriques et photoélectriques à l'échelle micro à macro avec des simulations tridimensionnelles de dispositifs de cellules solaires."
Les simulations effectuées par les chercheurs étaient basées sur une cellule unitaire 3D qui reproduisait la forme des cellules solaires en kesterite qu'ils avaient créées, en utilisant des images SEM et STEM des cellules. Les chercheurs ont expérimentalement obtenu les paramètres photoélectroniques des cellules, y compris leur densité de porteurs libres, leur fluctuation potentielle, le classement de la bande interdite et la moyenne statistique SGB (vitesse de recombinaison non radiative aux joints de grains). Tous ces paramètres ont été intégrés dans leur modèle de simulation.
"Les durées de vie et les mobilités intragrain des électrons et des trous peuvent être obtenues en faisant correspondre les J – V et EQE expérimentaux", a déclaré Hao. "En particulier, la vitesse de recombinaison non radiative aux joints de grains et à l'intérieur des grains est d'abord comparée qualitativement en effectuant une cathodoluminescence (CL) cartographie sur un dispositif CZTSSe en coupe transversale directement clivé."
Les chercheurs ont utilisé différentes caractérisations microscopiques et macroscopiques des cellules solaires qu'ils avaient créées pour estimer le transport de porteurs aux interfaces avant et arrière de l'appareil. Cela leur a permis de déterminer les mécanismes de recombinaison des porteurs à la fois à l'intérieur des grains et aux joints de grains, mais aussi d'estimer la concentration et la fluctuation des porteurs.
Image SEM en coupe transversale à code couleur d'un appareil CZTSe. La structure de l'appareil de bas en haut est en verre sodocalcique (SLG)/Mo/MoSe2/CZTSe/CdS/i-ZnO/ZnO:Al. Crédit :Li et al.
Dans leurs mesures, l'équipe a constaté que dans la région qu'ils ont mesurée, tous les joints de grains présentaient une intensité CL nettement inférieure à celle trouvée dans les intérieurs de gain. Cela suggère que les joints de grains ont une vitesse de recombinaison non radiative beaucoup plus grande que l'intérieur des grains.
"Apparemment, la recombinaison des joints de grains domine la perte de porteuse que nous avons observée à partir des images EBIC (courant induit par faisceau d'électrons)", a déclaré Hao. "Il s'agit d'un résultat passionnant, suppressif et pourtant raisonnable. C'est en fait l'incitation pour le cadre global conçu ci-dessus combinant les caractérisations et la simulation de dispositif photovoltaïque 3D pour atteindre la vitesse de recombinaison des porteurs à la limite des grains et la durée de vie de l'intérieur du grain et ultérieurement. voie vers plus de 20 % d'efficacité."
Essentiellement, à l'aide de mesures, de simulations et de calculs, Li, Hao et leurs collègues ont pu créer un modèle simulé en 3D de leur appareil. Ce modèle les a aidés à dévoiler les principaux mécanismes porteurs à l'échelle microscopique affectant les performances des cellules solaires.
L'équipe a montré que la recombinaison des joints de grains limite la durée de vie effective du support de la késtérite en vrac. Ils ont découvert que la vitesse de recombinaison associée aux joints de grains de la kestérite, à un niveau de 10 4 cm s −1 , est supérieur d'un à deux ordres de grandeur à celui de CIGSe et CdTe ; tandis que la durée de vie des porteurs minoritaires intragrain est estimée à 10-30 ns et la densité nette de porteurs autour de 1,8 × 10 15 cm −3 .
Cartographie de cathodoluminescence hyperspectrale et combinée en intensité acquise à 10 keV à partir d'un échantillon en coupe transversale préparé par FIB d'absorbeur CZTSe. Crédit :Li et al.
"Il semble que la tension en circuit ouvert bien reconnue (VOC ) les pertes dues à la fluctuation de la bande interdite et/ou à la fluctuation du potentiel électrostatique sont faibles », a déclaré Hao. « Au lieu de cela, les mécanismes de perte dominants des cellules solaires CZTSe de pointe actuelles sont associés à la recombinaison non radiative sévère aux joints de grains. . Ces découvertes signifient que les mécanismes de perte de porteurs de la kesterite CZTSe ressemblent davantage au CdTe historique qu'à la chalcopyrite (CIGS) que l'on croyait depuis longtemps."
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs montrent que la kesterite pourrait avoir une durée de vie électronique intragrain étonnamment longue de 10 -30 ns et grande mobilité des trous intragrains de 30 à 50 cm 2 V -1 s -1 . Ces valeurs mettent en évidence l'énorme potentiel du matériau pour la création de cellules solaires efficaces et d'autres dispositifs optoélectroniques, y compris les photodétecteurs et les photocathodes pour les dispositifs photoélectrochimiques (PEC).
"Nous avons montré que la qualité globale de nos matériaux kesterite est bien meilleure que ce à quoi s'attendait la communauté et que le problème clé des cellules solaires kesterite à faible bande interdite est les interfaces internes (joints de grains), ce qui est une découverte très surprenante mais raisonnable " dit Li. "Nous espérons maintenant en savoir plus sur les joints de grains des matériaux de kestérite et concevoir une méthode appropriée pour durcir les joints de grains des matériaux de kestérite en tant que passivation historique des joints de grains des cellules solaires à couche mince de chalcopyrite (CIGS) et CdTe commercialisées. ."
À l'avenir, les découvertes recueillies par Hao, Li et leurs collègues pourraient ouvrir la voie au développement d'appareils à base de kestérite avec des efficacités supérieures à 20 %. En outre, le modèle qu'ils ont créé pourrait être utilisé pour mieux comprendre les fondements des technologies solaires complexes basées sur des couches minces d'autres matériaux émergents.
"Sur la base de ces travaux, une amélioration supplémentaire de l'efficacité au-delà de 20 % d'efficacité nécessite une passivation substantielle des joints de grains et une augmentation de la densité nette des porteurs", a ajouté Hao. "Nos prochaines études seront axées sur la compréhension des défauts aux joints de grains des kestérites et sur le développement de stratégies de passivation des joints de grains."
© 2022 Réseau Science X L'ingénierie de la fluoroéthylamine pour une passivation efficace améliore l'efficacité des cellules solaires en pérovskite
